1й семестр Информатика. Информация. Понятие информации. Формирование информации (схема). Свойства информации. Понятие количества информации
 Скачать 183.23 Kb.
|
|
Устройства обработки информации Для обработки информации компьютер должен иметь устройство, выполняющее основные арифметические и логические операции над числовыми данными. Такие устройства называются арифметико-логическими устройствами (АЛУ). В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию сложения двух целых чисел. Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ представляет собой многоразрядное устройство, каждый разряд которого представляет собой схему на логических элементах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда. Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразрядным, полным сумматором. Принцип автоматической обработки информации вычислительным устройством. Машина фон Неймана. Основным отличием вычислительной машины от таких счетных устройств, как счеты, арифмометр, калькулятор, заключается в том, что вся последовательность команд на вычисление предварительно записывается в память вычислительной машины и выполняется последовательно автоматически. Впервые принцип вычислительной машины с автоматическим выполнением команд предложил американский ученый фон Нейман. Он описал основные узлы, которые должна содержать такая машина. Этот принцип получил название фон-неймановской вычислительной машины. Большинство современных КС в настоящее время построено именно по этому принципу. Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей собой набор регистров, арифметико-логических устройств (АЛУ), устройства ввода-вывода и устройства управления. Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды, совокупность которых называется программой, записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки,— в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда программы — это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. После чего вычислительная машина переходит в режим автоматического выполнения программы. Устройство управления считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». Регистр команд хранил команду во время ее исполнения. Устройство управления расшифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указаны в команде, и приступает к ее выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки, который заключается в выработке управляющих сигналов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с помощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединенных в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, т.е. по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Микропрограмма выполнения любой команды обязательно содержит сигналы, изменяющие содержимого счетчика команд на единицу. Таким образом, после завершения выполнения очередной команды, счетчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство управления читает команду, адрес которой находится в счетчике команд, помещает ее в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды, и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных устройство управления не может, поэтому, если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления читает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд программы, и пытается интерпретировать их как команды. Особым случаем можно считать команды безусловного или условного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счетчик команд и происходит переход на соответствующую команду программы. Поколения цифровых устройств обработки информации. В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но другие оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных технологий. Первая счетная машина с хранимой программой была построена французским ученым Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Лейбниц в 1672 г. Построил механическую машину, которая могла делать также операции умножения и деления. Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых требовалась точность, недоступная в XIX в. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первое поколение -электронные лампы (1945-1955 гг.) В основе базовой системы элементов этого поколения компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. К сожалению, недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, размер электронных ламп, по современным понятиям микроэлектроники, был огромным — несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегреванию ламп, которые были размешены довольно компактно, и ставила задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду. Второе поколение - транзисторы (1955-1965 гг.) Полупроводниковые приборы — транзисторы были изобретены в 1948 г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели революцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться миниатюрные приемо-передающие радио- и телеустройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве компьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспечивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в состав вычислительной машины нескольких обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размещения компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines ( IBM ), Control Data Corporation ( CDC ), Digital Equipment Corporation ( DEC ) и др. Следует отметить компьютер PDP -8 фирмы DEC — первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на развитие архитектур персональных компьютеров. Третье поколение - интегральные схемы (1965-1980 гг.) Полупроводниковые элементы и другие электронные компоненты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов. Так, полупроводниковый кристалл, на котором размещался транзистор, заключался в специальный металлический или пластмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потребляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быстродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секунду. Электронная промышленность приступила к массовому производству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. Уменьшение стоимости привело к разработке и практической реализации мощных вычислительных систем, использующих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители. Четвертое поколение - сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 гг.) Микроминиатюризация электронных устройств привела к появлению новой отрасли промышленности — микроэлектроники, которая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно получить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты), добились размещения на одном кристалле размером несколько квадратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микропроцессор, устройства управления внешними устройствами — контроллеры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили название сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми. Такой возможностью воспользовались английские инженеры Стив Джобс и Стив Возник. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дисплей, они собрали дешевую настольную вычислительную машину — микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое к употреблению устройство, содержащее все необходимое оборудование и программное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил название Apple и стал первым в мире персональным компьютером. Персональными компьютерами, которые получили большое распространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем — IBM , и решила наладить выпуск своей модели персонального компьютера. Совместно с фирмой Intel , разработавшей микропроцессорный комплект, и фирмой Microsoft , которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS , IBM создала персональный компьютер IBM PC . Значительный потенциал фирмы IBM позволил в короткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объем оперативной памяти, позволили компьютеру IBM PC стать самой популярной «персоналкой» в мире. Архитектуры с фиксированным набором устройств. Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого может входить миллионы логических элементов. Для лучшего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в целом вводится понятие уровней представления компьютера. Архитектуры с фиксированным набором устройств Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжён с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ, арифметико-логические устройства (АЛУ) обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя её занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определённого числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы. Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией. Вычислительные системы с закрытой и открытой архитектурой. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной. В начале 70-х годов фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам производителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращения к нему процессора происходит, так же как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства. Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьёзный недостаток, который проявлялся всё больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объёмами и скоростью обмена, в связи с чем "медленные" устройства задерживали работу "быстрых". Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались "быстрые" устройства. Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передаёт их контроллеру, подключённому к общей или локальной шине. Конструктивно, контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъёмы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объём обмена с центральным процессором и между собой. Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого, в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи. Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудио карта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов. Для подключения специфических устройств, часть общей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры имеет слоты расширения для установки плат контроллеров. Функциональная организация персонального компьютера. Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур: полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC); сокращённыйнаборкомандфиксированнойдлины – Reduced Instruction Set Computer (RISC). Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессора, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения. RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать её с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит: буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время выборки очередной команды из памяти; дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды; управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счётчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управления. Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а так же хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программированию на языке машинных команд, это наиболее полное использование РОН для получения максимального быстродействия при выполнении программ, критичных по времени. |